(57)【要約】      （修正有）【課題】掃気時に電解質膜の含水量分布の均一化を図ることができる燃料電池システムおよび燃料電池制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、固体高分子型の電解質膜１１１が電極１１２，１１４によって挟持された燃料電池１１と、燃料電池の反応ガス流路１３１に掃気ガスを供給して掃気する掃気手段４０と、掃気手段の掃気途中において反応ガス流路における掃気ガスの流動方向を反転させる反転手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型の電解質膜が電極によって挟持された燃料電池と、
前記燃料電池の反応ガス流路に掃気ガスを供給して掃気する掃気手段と、
前記掃気手段の掃気途中において、前記反応ガス流路における前記掃気ガスの流動方向を反転させる反転手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記掃気手段による掃気開始時においては、前記電極に沿った前記反応ガス流路における前記掃気ガスの流動方向は、重力方向であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記反転手段は、前記掃気手段による掃気開始後に所定時間が経過した場合に、前記掃気ガスの流動方向を反転させることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記反応ガス流路の圧損を検出する圧損検出手段を備え、
前記反転手段は、前記圧損検出によって検出される前記反応ガス流路の圧損が所定値以下になった場合に、前記掃気ガスの流動方向を反転させることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池のセル抵抗を検出する抵抗検出手段を備え、
前記反転手段は、前記抵抗検出手段によって検出される前記セル抵抗が所定値以下になった場合に、前記掃気ガスの流動方向を反転させることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記掃気手段による掃気開始時に、前記反応ガス流路に掃気ガスが供給された後に前記反応ガス流路を大気に開放する開放手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記反応ガスは、酸化剤ガスであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
固体高分子型の電解質膜が電極によって挟持された燃料電池の反応ガス流路に掃気ガスを供給して掃気する掃気ステップと、
前記掃気ステップの途中において、前記反応ガス流路における前記掃気ガスの流動方向を反転させる反転ステップ手段と、を含むことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項９】
前記掃気ステップの開始時においては、前記電極に沿った前記反応ガス流路における前記掃気ガスの流動方向は、重力方向であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の制御方法。
【請求項１０】
前記反転ステップは、前記掃気ステップの開始後に所定時間が経過した場合に、前記掃気ガスの流動方向を反転させるステップであることを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池の制御方法。
【請求項１１】
前記反応ガス流路の圧損を検出する圧損検出ステップを含み、
前記反転ステップは、前記圧損ステップにおいて検出される前記反応ガス流路の圧損が所定値以下になった場合に、前記掃気ガスの流動方向を反転させるステップであることを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池の制御方法。
【請求項１２】
前記燃料電池のセル抵抗を検出する抵抗検出ステップを含み、
前記反転ステップは、前記抵抗検出ステップにおいて検出される前記セル抵抗が所定値以下になった場合に、前記掃気ガスの流動方向を反転させるステップであることを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池の制御方法。
【請求項１３】
前記掃気ステップの開始時に、前記反応ガス流路に掃気ガスが供給された後に、前記反応ガス流路を大気に開放する開放ステップを含むことを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
【請求項１４】
前記反応ガスは、酸化剤ガスであることを特徴とする請求項８〜１３のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる電解質膜の両側に、それぞれアノードおよびカソードが設けられた膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が、セパレータによって挟持された構造を有している。
【０００４】
この燃料電池においては、カソードでの生成水に起因して発電性能が低下するおそれがある。例えば、生成水がガス流路等に滞留すると、反応ガスの拡散の抑制によって発電性能が低下するおそれがある。そこで、掃気によって生成水の排出を促進することができる。しかしながら、掃気によって電解質膜が乾燥すると、プロトン伝導性の低下に伴って発電性能が低下するおそれがある。
【０００５】
そこで、燃料電池の発電停止時に、酸化剤ガスの通流方向を逆転させて酸化剤ガス流路に乾燥した酸化剤ガスを流して、セル面内の残留水分を均一に分布させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０９６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術では、発電停止処理後に、カソードの入口側から出口側にかけて電解質膜の含水量に傾斜が生じてしまう。
【０００８】
本発明は、掃気時に電解質膜の含水量分布の均一化を図ることができる燃料電池システムおよび燃料電池制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子型の電解質膜が電極によって挟持された燃料電池と、燃料電池の反応ガス流路に掃気ガスを供給して掃気する掃気手段と、掃気手段の掃気途中において反応ガス流路における掃気ガスの流動方向を反転させる反転手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、掃気途中で掃気ガスの流動方向が反転することから、電解質膜の含水量分布の均一化を図ることができる。
【００１０】
掃気手段による掃気開始時においては、電極に沿った反応ガス流路における掃気ガスの流動方向は、重力方向であってもよい。この場合、重力を利用して残留水を排出することができる。それにより、掃気時間の短縮化を図ることができる。
【００１１】
反転手段は、掃気手段による掃気開始後に所定時間が経過した場合に、掃気ガスの流動方向を反転させてもよい。この場合、センサ等を用いた制御が不要であることから、センサ異常等の影響を回避することができる。
【００１２】
反応ガス流路の圧損を検出する圧損検出手段を備え、反転手段は、圧損検出によって検出される反応ガス流路の圧損が所定値以下になった場合に、掃気ガスの流動方向を反転させてもよい。この場合、残留水量に応じて流動方向を反転させることができる。それにより、電解質膜における局所的な残留水分布を抑制することができる。
【００１３】
燃料電池のセル抵抗を検出する抵抗検出手段を備え、反転手段は、抵抗検出手段によって検出されるセル抵抗が所定値以下になった場合に、掃気ガスの流動方向を反転させてもよい。この場合、残留水量に応じて流動方向を反転させることができる。それにより、電解質膜における局所的な残留水分布を抑制することができる。
【００１４】
掃気手段による掃気開始時に、反応ガス流路に掃気ガスが供給された後に反応ガス流路を大気に開放する開放手段を備えていてもよい。この場合、残留水の大気への蒸発を促進することができる。反応ガスは、酸化剤ガスであってもよい。
【００１５】
本発明に係る燃料電池の制御方法は、固体高分子型の電解質膜が電極によって挟持された燃料電池の反応ガス流路に掃気ガスを供給して掃気する掃気ステップと、掃気ステップの途中において反応ガス流路における掃気ガスの流動方向を反転させる反転ステップ手段と、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の制御方法においては、掃気途中で掃気ガスの流動方向が反転することから、電解質膜の含水量分布の均一化を図ることができる。
【００１６】
掃気ステップの開始時においては、電極に沿った反応ガス流路における掃気ガスの流動方向は、重力方向であってもよい。この場合、重力を利用して残留水を排出することができる。それにより、掃気時間の短縮化を図ることができる。
【００１７】
反転ステップは、掃気ステップの開始後に所定時間が経過した場合に、掃気ガスの流動方向を反転させるステップであってもよい。この場合、センサ等を用いた制御が不要であることから、センサ異常等の影響を回避することができる。
【００１８】
反応ガス流路の圧損を検出する圧損検出ステップを含み、反転ステップは、圧損ステップにおいて検出される反応ガス流路の圧損が所定値以下になった場合に、掃気ガスの流動方向を反転させるステップであってもよい。この場合、残留水量に応じて流動方向を反転させることができる。それにより、電解質膜における局所的な残留水分布を抑制することができる。
【００１９】
燃料電池のセル抵抗を検出する抵抗検出ステップを含み、反転ステップは、抵抗検出ステップにおいて検出されるセル抵抗が所定値以下になった場合に、掃気ガスの流動方向を反転させるステップであってもよい。この場合、残留水量に応じて流動方向を反転させることができる。それにより、電解質膜における局所的な残留水分布を抑制することができる。
【００２０】
掃気ステップの開始時に、反応ガス流路に掃気ガスが供給された後に、反応ガス流路を大気に開放する開放ステップを含んでいてもよい。この場合、残留水の大気への蒸発を促進することができる。反応ガスは、酸化剤ガスであってもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、掃気時に電解質膜の含水量分布の均一化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００を説明するための図である。図１（ａ）は、燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１（ｂ）は、後述する燃料電池１１の模式的断面図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、燃料ガス供給手段２０、酸化剤ガス供給手段３０、掃気手段４０、負荷回路５０および制御手段６０等を備える。また、燃料電池スタック１０には、圧損検出手段１２が備わっている。
【００２４】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１１が積層された構造を有する。図１（ｂ）に示すように、燃料電池１１は、膜−電極接合体１１０がセパレータ１２０およびセパレータ１３０によって挟持された構造を有する。膜−電極接合体１１０は、電解質膜１１１のセパレータ１２０側にアノード触媒層１１２およびガス拡散層１１３が順に接合され、電解質膜１１１のセパレータ１３０側にカソード触媒層１１４およびガス拡散層１１５が順に接合された構造を有する。電解質膜１１１は、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルフォン酸型ポリマー等の固体高分子電解質からなる。
【００２５】
アノード触媒層１１２は、触媒を担持する導電性材料、プロトン伝導性電解質等から構成される。アノード触媒層１１２における触媒は、水素のプロトン化を促進するための触媒である。例えば、アノード触媒層１１２は、白金担持カーボン、パーフルオロスルフォン酸型ポリマー等を含む。ガス拡散層１１３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。
【００２６】
カソード触媒層１１４は、触媒を担持する導電性材料、プロトン伝導性電解質等から構成される。カソード触媒層１１４は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒である。例えば、カソード触媒層１１４は、白金担持カーボン、パーフルオロスルフォン酸型ポリマー等を含む。ガス拡散層１１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。
【００２７】
セパレータ１２０，１３０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ１２０の膜−電極接合体１１０側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路１２１が形成されている。セパレータ１３０の膜−電極接合体１１０側の面には、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路１３１が形成されている。例えば、燃料ガス流路１２１および酸化剤ガス流路１３１は、セパレータの表面に形成された凹部からなる。なお、燃料ガス流路１２１および酸化剤ガス流路１３１は、セパレータと膜−電極接合体との間に配置された多孔体流路であってもよい。
【００２８】
燃料ガス供給手段２０は、燃料電池スタック１０の燃料ガス入口を介して燃料ガス流路１２１に、水素を含有する燃料ガスを供給する装置である。燃料ガス供給手段２０は、例えば、水素ボンベ、改質器等からなる。酸化剤ガス供給手段３０は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口を介して酸化剤ガス流路１３１に、酸素を含有する酸化剤ガスを供給する装置である。酸化剤ガス供給手段３０は、エアポンプ等からなる。掃気手段４０は、エア等の掃気ガスを酸化剤ガス流路１３１に供給する装置である。酸化剤ガス供給手段３０と掃気手段４０とは互いに個別の装置であってもよいが、酸化剤ガス供給手段３０が掃気手段４０を兼ねていてもよい。
【００２９】
圧損検出手段１２は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口の圧力と酸化剤ガス出口の圧力との差を検出するセンサであり、その検出結果を制御手段６０に与える。なお、燃料電池スタック内部のガス流路内は層流であるため、圧損は、ガス流量の１次関数として計測されてもよい。負荷回路５０は、燃料電池スタック１０を構成要素とする回路である。負荷回路５０には、スイッチ５１および負荷５２が含まれる。スイッチ５１は、負荷回路５０をオンオフするための装置である。負荷５２は、モータ、補機等の装置である。制御手段６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、燃料電池システム１００の各部の制御を行う。
【００３０】
（通常発電）
続いて、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照しつつ、通常発電時の燃料電池システム１００の動作について説明する。まず、制御手段６０は、燃料ガス流路１２１に燃料ガスが供給されるように燃料ガス供給手段２０を制御するとともに、酸化剤ガス流路１３１に酸化剤ガスが供給されるように酸化剤ガス供給手段３０を制御する。また、制御手段６０は、スイッチ５１をオンに制御する。それにより、負荷回路が形成されて発電が開始される。
【００３１】
燃料ガスは、ガス拡散層１１３を透過してアノード触媒層１１２に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層１１２の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜１１１を伝導してカソード触媒層１１４に到達する。
【００３２】
酸化剤ガスは、ガス拡散層１１５を透過してカソード触媒層１１４に到達する。カソード触媒層１１４においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、電力が発生するとともに、水が生成される。生成された水は、主として酸化剤ガス流路１３１を通って排出される。発生した電力は、負荷５２において消費される。
【００３３】
燃料電池スタック１０においては、掃気後の再起動時に発電性能が変化することがある。例えば、氷点下等の低温環境下において燃料電池スタック１０を再起動させる場合、生成水の氷結によって有効発電面積が減少することがある。図２は、低温起動時における発電分布の実験結果を示す図である。図２に示すように、酸化剤ガスの供給側から酸化剤ガスの排出側までの発電領域Ｘをテストピースとして用いた。このテストピースを３×５に分割し、−１０℃で一定に保持した状態で、各領域の電流密度を測定した。なお、図２においては、掃気時の掃気ガスおよび再起動時の酸化剤ガスは、下側から上側に向かって流動する。
【００３４】
図２に示すように、発電開始時には、面内全体でほぼ均一に発電が行われていた。しかしながら、時間の経過とともに、掃気ガスおよび酸化剤ガスの下流側において電流密度が低下した。これは、発電に伴って生成された水分が再氷結しているからであると考えられる。さらに時間が経過すると、面内の一部の領域だけで発電が行われるようになった。
【００３５】
図３は、テストピースの各部における発電継続性を示す図である。図３において、横軸は発電開始後の経過時間を示し、縦軸は各部における電流密度を示す。図３に示すように、掃気ガスおよび酸化剤ガスの上流側においては、発電継続性は比較的良好である。これに比較して、掃気ガスおよび酸化剤ガスの下流側においては、発電継続性が低下している。
【００３６】
このように、低温起動時においては、掃気ガスおよび酸化剤ガスの下流側において発電性能が低下し、徐々に全体の発電性能が低下することがわかった。そこで、本実施例においては、掃気時における掃気ガスの流動方向を変化させる。以下、掃気時における燃料電池システム１００の動作について説明する。
【００３７】
（掃気）
図４は、燃料電池スタック１０の掃気処理について説明するための模式図である。図４に示すように、燃料電池システム１００は、掃気手段４０と燃料電池スタック１０との間に三方弁４１を備えるとともに、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス出口に三方弁４２を備える。三方弁４１は、制御手段６０の指示に従って、掃気手段４０と燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口とを接続する通路と、掃気手段４０と燃料電池スタック１０の酸化剤ガス出口とを接続する通路と、を切替える。三方弁４２は、制御手段６０の指示に従って、酸化剤出口を大気に開放する通路と、酸化剤入口を大気に開放する通路と、を切替える。このように、三方弁４１，４２は、掃気ガスの流動方向を反転させる反転手段として機能する。また、三方弁４２は、酸化剤ガス流路を大気に開放するための開放手段としても機能する。
【００３８】
制御手段６０は、掃気開始時には、スイッチ５１をオフに制御するとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止するように燃料ガス供給手段２０および酸化剤ガス供給手段３０を制御する。次に、制御手段６０は、掃気手段４０と酸化剤入口とが接続されるように三方弁４１を制御するとともに、酸化剤出口が大気に開放されるように三方弁４２を制御する。次に、制御手段６０は、三方弁４１に掃気ガスが供給されるように、掃気手段４０を制御する。それにより、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス流路に残留する生成水が排出される。この場合、残留生成水は、酸化剤出口側に移動する。
【００３９】
制御手段６０は、掃気の途中で、掃気手段４０と酸化剤出口とが接続されるように三方弁４１を制御するとともに、酸化剤入口が大気に開放されるように三方弁４２を制御する。この場合、掃気ガスの流動方向が反転する。それにより、残留生成水は、酸化剤入口側に移動する。その結果、電解質膜１１１における含水量分布の均一化を図ることができる。
【００４０】
次に、掃気ガスの流動方向び反転時期について説明する。図５は、掃気開始後の酸化剤ガス入口と出口との圧力差（圧損ΔＰ）とセル抵抗Ｒとの関係を示す図である。図５において、横軸は経過時間を示し、縦軸は圧損ΔＰおよびセル抵抗Ｒを示す。図５に示すように、掃気開始後、残留水量の低下とともに、圧損ΔＰが低下する。この場合、セル抵抗Ｒにほとんど変化が見られないことから、主として酸化剤ガス流路１３１等に残留する液水が排出されていると考えられる。この期間のことを、以下、領域Ａと称する。
【００４１】
さらに時間が経過すると、カソード触媒層１１４およびガス拡散層１１５から蒸発等によって残留水が排出される。この場合、圧損ΔＰが徐々に低下するとともに、セル抵抗Ｒが増加する。この期間のことを、以下、領域Ｂと称する。さらに時間が経過すると、電解質膜１１１が乾燥し始める。この場合、圧損ΔＰの低下率が小さくなるとともに、電解質膜１１１の乾燥に伴ってセル抵抗Ｒが急激に増加する。この期間のことを、以下領域Ｃと称する。
【００４２】
本実施例においては、領域Ｂにおいて掃気ガスの流動方向を反転させる。それにより、電解質膜１１１における局所的な残留水分布を抑制することができる。例えば、圧損ΔＰと残留水量またはセル抵抗Ｒとの関係をあらかじめ測定してマップ等に記憶しておくことによって、制御手段６０は、掃気ガスの流動方向の反転時期を取得することができる。
【００４３】
図６は、掃気の際の制御の一例を示すフローチャートを示す図である。図６に示すように、制御手段６０は、掃気手段４０と酸化剤入口とが接続されるように三方弁４１を制御し、酸化剤出口が大気に開放されるように三方弁４２を制御するとともに、三方弁４１に掃気ガスが供給されるように、掃気手段４０を制御する（ステップＳ１）。
【００４４】
次に、制御手段６０は、圧損検出手段１２によって検出される圧損が所定値以下になった否かを判定する（ステップＳ２）。この場合の所定値として、図５の領域Ｂの値を用いることができる。ステップＳ２において圧損が所定値以下になったと判定されなかった場合、制御手段６０は、ステップＳ２を再度実行する。ステップＳ２において圧損が所定値以下になったと判定された場合、制御手段６０は、掃気ガスの流動方向が反転するように、三方弁４１，４２を制御する（ステップＳ３）。その後、制御手段６０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４５】
図６のフローチャートによれば、領域Ｂにおいて掃気ガスの流動方向が反転する。それにより、電解質膜１１１における局所的な残留水分布が抑制される。その結果、発電継続性低下を抑制することができる。
【００４６】
なお、本実施例においては掃気開始時に、酸化剤ガスの流動方向に掃気ガスが供給されるが、それに限られない。掃気開始時には酸化剤ガスの流動方向と反対側に掃気ガスが供給され、掃気途中で掃気ガスの流動方向が反転してもよい。
【００４７】
また、掃気開始時に、膜−電極接合体１１０に沿って重力方向に掃気ガスが供給されてもよい。この場合、重力を利用して残留水を排出することができる。それにより、掃気時間の短縮化を図ることができる。
【００４８】
また、掃気ガスの流動方向の反転回数は、一回に限られない。例えば、掃気の途中で掃気ガスの流動方向を複数回反転させてもよい。例えば、圧損の低下途中に複数の判断基準値を設定することによって、掃気ガスの流動方向を複数回反転させることができる。
【００４９】
なお、燃料ガス流路における掃気ガスの流動方向は特に限定されない。ただし、水素の分子量は小さいため、液水の排出には不向きである。また、発電生成水は主としてカソード側に残留することから、アノード触媒層１１２およびガス拡散層１１３の蒸発乾燥の必要性は低い。したがって、アノード側においては、燃料ガス流路１２１の残留水を確実に排出することが好ましい。以上のことから、アノード側においては、掃気ガスの流動方向は反転させないことが好ましい。この場合、排水性の観点から、アノード側の掃気ガスは、膜−電極接合体１１０に沿って重力方向に供給されることが好ましい。
【実施例２】
【００５０】
続いて、第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図７は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図７に示すように、燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、圧損検出手段１２の代わりに抵抗検出手段１３が設けられている点である。抵抗検出手段１３は、燃料電池スタック１０のセル抵抗を検出する。
【００５１】
本実施例においては、制御手段６０は、抵抗検出手段１３の検出結果に基づいて、掃気ガスの流動方向を反転させる。図８は、掃気ガスの流動方向の反転時期について説明するための図である。セル抵抗が図８（ａ）に示す領域Ｂの所定の値に達した時点を、掃気ガスの流動方向の反転時期に設定することができる。この場合、電解質膜１１１の局所的な残留水分布を抑制することができる。それにより、図８（ｂ）に示すように、セル抵抗Ｒの急激な増加を抑制することができる。
【００５２】
図９は、掃気の際の制御の一例を示すフローチャートを示す図である。図９に示すように、制御手段６０は、掃気手段４０と酸化剤入口とが接続されるように三方弁４１を制御し、酸化剤出口が大気に開放されるように三方弁４２を制御するとともに、三方弁４１に掃気ガスが供給されるように、掃気手段４０を制御する（ステップＳ１１）。
【００５３】
次に、制御手段６０は、抵抗検出手段１３によって検出されるセル抵抗が所定値以上になった否かを判定する（ステップＳ１２）。この場合の所定値として、図８（ａ）の領域Ｂの値を用いることができる。ステップＳ１２においてセル抵抗が所定値以上になったと判定されなかった場合、制御手段６０は、ステップＳ１２を再度実行する。ステップＳ１２においてセル抵抗が所定値以上になったと判定された場合、制御手段６０は、掃気ガスの流動方向が判定するように、三方弁４１，４２を制御する（ステップＳ１３）。その後、制御手段６０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５４】
図９のフローチャートによれば、領域Ｂにおいて掃気ガスの流動方向が反転する。それにより、電解質膜１１１における局所的な残留水分布が抑制される。その結果、発電継続性低下を抑制することができる。
【００５５】
なお、上記各実施例においては圧損またはセル抵抗等の検出結果に基づいて掃気ガスの流動方向を反転させたが、それに限られない。例えば、掃気開始後の経過時間に基づいて掃気ガスの流動方向を反転させてもよい。図１０は、掃気ガスの流動方向の反転時期について説明するための図である。図１０（ｂ）に示すように、掃気開始後に規定の時間が経過した場合に、掃気ガスの流動方向を反転させてもよい。この場合の時期は、領域Ｂに設定されることが好ましい。掃気ガスの流動方向をさらに反転させる場合には、さらに規定の時間が経過した場合に反転時期を設定してもよい。なお、掃気ガスの流動方向の反転時期は、掃気ガスの流量等とセル抵抗または圧損との関係をあらかじめマップ等に記憶しておくことによって、取得することができる。
【００５６】
図１１は、掃気の際の制御の一例を示すフローチャートを示す図である。図１１に示すように、制御手段６０は、掃気手段４０と酸化剤入口とが接続されるように三方弁４１を制御し、酸化剤出口が大気に開放されるように三方弁４２を制御するとともに、三方弁４１に掃気ガスが供給されるように、掃気手段４０を制御する（ステップＳ２１）。
【００５７】
次に、制御手段６０は、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２２）。この場合の所定値として、図１０の領域Ｂの値を用いることができる。ステップＳ２２において所定時間が経過したと判定されなかった場合、制御手段６０は、ステップＳ２２を再度実行する。ステップＳ２２において所定時間が経過したと判定された場合、制御手段６０は、掃気ガスの流動方向が反転するように、三方弁４１，４２を制御する（ステップＳ２３）。
【００５８】
次に、制御手段６０は、さらに所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４において所定時間が経過したと判定されなかった場合、制御手段６０は、ステップＳ２４を再度実行する。ステップＳ２４において所定時間が経過したと判定された場合、制御手段６０は、掃気ガスの流動方向がさらに反転するように、三方弁４１，４２を制御する（ステップＳ２５）。その後、制御手段６０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５９】
図１１のフローチャートによれば、圧損検出手段、抵抗検出手段等のセンサの検出結果を用いる必要がない。それにより、センサ異常等の影響を回避することができる。また、制御が容易になる。
【００６０】
また、掃気開始時の掃気ガス流量を変化させてもよい。図１２は、掃気開始後の掃気ガス流量と掃気ガス圧力との関係を示す図である。図１２（ａ）は、掃気ガスの流動方向を１度反転させる場合の図である。図１２（ａ）において、横軸は掃気開始後の経過時間を示し、縦軸は掃気ガス流量および酸化剤ガス流路内の圧力を示す。なお、図１２（ａ）においては、掃気の開始とともに酸化剤ガス流路が大気に開放されるものとする。
【００６１】
図１２（ａ）に示すように、掃気ガスの供給が開始されると、掃気ガスの流量が多くなる。この場合、酸化剤ガス流路の大気への開放に伴って、酸化剤ガス流路中の圧力が大気圧に等しくなる。掃気ガスの流動方向を反転させる場合には、掃気ガスの流動が一時的に停止され、その後掃気ガス流量が多くなる。このような掃気処理において、残留水の排出を促進するためには、掃気ガスの流量を多くすることが好ましい。しかしながら、継続的に掃気ガスの流量を多くすると消費エネルギが増大してしまう。
【００６２】
ここで、残留水は、圧力変動時に移動しやすい傾向にある。そこで、図１２（ｂ）の破線に示すように、掃気ガス流量を多くして酸化剤ガス流路内の圧力を上昇させた後に、酸化剤ガス流路を大気に開放するとともに掃気ガス流量を低減させてもよい。この場合、消費エネルギの増大を抑制しつつ、排水効率を向上させることができる。それにより、掃気ガスの流動方向の反転時期が早まる。その結果、掃気の短縮化を図ることができる。
【００６３】
なお、上記各実施例においては、反応ガス流路として酸化剤ガス流路をとりあげ、反応ガスとして酸化剤ガスをとりあげているが、それに限られない。反応ガス流路として燃料ガス流路をとりあげ、反応ガスとして燃料ガスをとりあげてもよい。すなわち、燃料ガス流路に掃気ガスを流動させて、掃気途中で掃気ガスの流動方向を反転させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムを説明するための図である。
【図２】低温起動時における発電分布の実験結果を示す図である。
【図３】テストピースの各部における発電継続性を示す図である。
【図４】燃料電池スタックの掃気処理について説明するための模式図である。
【図５】掃気開始後の酸化剤ガス入口と出口との圧力差とセル抵抗との関係を示す図である。
【図６】掃気の際の制御の一例を示すフローチャートを示す図である。
【図７】第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図８】掃気ガスの流動方向の反転時期について説明するための図である。
【図９】掃気の際の制御の一例を示すフローチャートを示す図である。
【図１０】掃気ガスの流動方向の反転時期について説明するための図である。
【図１１】掃気の際の制御の一例を示すフローチャートを示す図である。
【図１２】掃気開始後の掃気ガス流量と掃気ガス圧力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  燃料電池スタック
１１  燃料電池
１２  圧損検出手段
１３  抵抗検出手段
２０  燃料ガス供給手段
３０  酸化剤ガス供給手段
４０  掃気手段
４１，４２  三方弁
５０  負荷回路
５１  スイッチ
５２  負荷
６０  制御手段
１００  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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